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6、智能化、智慧化赋能水基础设施提升传统价值.pdf

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1、智能化、智慧化赋能水基础设施，提升传统价值邱顺添、王旭、王明娜天津大学2023年11月22日第六届城市智慧管网发展论坛目录/CONTENTS水系统的恶化及新挑战供水系统智能化、智慧化智慧水务系统CONTENTS2价值提升4总结1.2 水系统的恶化水系统的恶化4第六届城市智慧管网发展论坛随着我国及世界城市化进程的快速发展，深刻影响着自然生态系统和经济社会系统，产生了内涝、黑臭水体、热岛雨岛、季节性缺水等一系列水问题。1.2 水系统的恶化水系统的恶化5第六届城市智慧管网发展论坛各类水问题不管其表现形式如何，最终都可以归结为水循环系统演变与调控的失衡问题。洪涝事件：气候变化下的自然水循环演变

2、过程失衡缺水问题：自然水循环-社会水循环演变失衡黑臭水体：与水循环伴生的水化学过程演变失衡生态退化：与水循环伴生的生态过程演变失衡利用信息技术提升水系统数据采集与分析能力，进而提升系统运行效率与效益1.2 城镇生活供水系统面临量、质双重挑战城镇生活供水系统面临量、质双重挑战随着城镇化建设的加快，集中用水需求不断增加，城镇居民对高品质水的需求愈发凸显，但技术手段有限，城镇生活供水逐渐面临着水量不足和水质恶化的双重困境。现状供水系统受资源、能源、经济等的多重制约，韧性不足，难以应对未来的多样化风险。（数据来源：国家统计局）6第六届城市智慧管网发展论坛1.2 城镇生活供水系统面临量、质双重挑城镇

3、生活供水系统面临量、质双重挑战战沿水而居、人力搬运水厂净化、广泛入户取水难卫生差消防弱不规范不公平不安全集中取水、管道输送多风险多事件多浪费早期：生存需求近代：生产生活需求现代：高品质健康生活需求生活用水：供人生存的饮水和服务日常活动的用水生活用水：供人生存的饮水和服务日常活动的用水7第六届城市智慧管网发展论坛1.3 分裂的供水阶段分裂的供水阶段8第六届城市智慧管网发展论坛2.1 供水系统的智能化智慧化供水系统的智能化智慧化？10第六届城市智慧管网发展论坛2.1 供水系统的智能化智慧化供水系统的智能化智慧化？11第六届城市智慧管网发展论坛2.2 涉水基础设施涉水基础设施12第六届城市

4、智慧管网发展论坛水源调度、调蓄供水管网水质、水量保障二次供水过程优化供水管网是城市的“水动脉”，是保障居民用水安全的重要基础设施。许多供水管网深埋地下，建设年代久远，设施老化严重，极易造成管网运行能耗高、漏损严重、爆管频发等问题，威胁“水量安全”。供水管网结构庞大、体系复杂，达标的出厂水流经数十公里到达用户，其间发生复杂的物理、化学和生物反应，威胁“水质安全”。避免或控制大量抽水产生的的负压，保证流量稳定；水箱液位要受控，保持水体常新，水龄受控，水质稳定；泵房运行的可视化、多座泵房运行时的联动控制；寻找节约能耗的二次供水方式；用户端流量需求的预测、监测和预警。我国水资源时空分布不均，洪涝和干

5、旱等极端天气频繁出现；不同规模的调水工程相继建设，形成了多源供水的局面，对各类蓄水工程及河湖水体联合调度，以实现各类水源高效利用。再生水等非常规水源的加入，形成了更为复杂的供水格局；解析不同水源组合供水的潜力和影响，提升城市供水能力。智能化、智慧化的业务需求2.2 涉水基础设施涉水基础设施13给排水系统智能化基本架构及要素：监测网点部署-通过布设智能监测设备，完成管网重要节点的动态监测数据采集；设施感知系统-全方位感知设施运行状况，通过“一张图”大数据可视化管理模式；Io oT感知中台-汇聚基础、实时监测和运行维护数据，建设覆盖“源-网-站-厂”一体化的感知中台，全方位感知运行状况，支持多云部

6、署，平台API或智能终端底层协议接入能力；移动应用平台-通过数据交互和共享，实现事件管理、信息查询、报警提醒、位置信息、任务管理、系统管理、二次开发、部署应用等功能；第六届城市智慧管网发展论坛3.1 智慧管网发展智慧管网发展15第六届城市智慧管网发展论坛智慧供水系统是一个综合的供水信息化管理平台，将供水系统中的取水泵站、水源井、自来水厂、供水管网、加压泵站、消防栓、二次供水等重要供用水单元纳入全方位的监控和管理。3.2 智慧水务的特征智慧水务的特征16第六届城市智慧管网发展论坛(1)更全面的感知3.2 智慧水务的特征智慧水务的特征 17第六届城市智慧管网发展论坛企业企业办事人员办事人

7、员纸质纸质资料资料电子电子资料资料网上填报网上填报办事人员办事人员水务部门水务部门结果结果受理审批决定告知提交办结(2)更主动的服务3.2 智慧水务的特征智慧水务的特征18第六届城市智慧管网发展论坛智能感知智能仿真智能诊断智能预警智能调度智能处置智能控制水文模型统计分析模型河网水动力模型管网水动力模型水质模拟模型水量调度模型多目标优化技术大数据分析技术深度学习技术等等（3）更科学的决策3.2 智慧水务的特征智慧水务的特征19第六届城市智慧管网发展论坛闸门泵站水电站流量过程水质过程预报水量水位水质调度闸门开度水轮机、泵站转速/转角控制调度边界控制目标控制指令水库引调水工程蓄滞洪

8、区水文站水库引调水工程蓄滞洪区闸门泵站水电站(4)更自动的控制3.2 智慧水务的特征智慧水务的特征20第六届城市智慧管网发展论坛（5）更及时的应对4.1 水资源价值水资源价值-“降质降质-分质分质-提质提质”用户对生活饮用水的需求在水质、水量上存在差异（城市居民生活用水量标准GB/T 50331-2002）(田文凯,2018）22第六届城市智慧管网发展论坛4.1 水资源价值水资源价值-“降质降质-分质分质-提质提质”用水过程模型23第六届城市智慧管网发展论坛4.1 水资源价值水资源价值-“降质降质-分质分质-提质提质”24第六届城市智慧管网发展论坛供水模式比传统模式减少新鲜水取用比例单

9、位供水能耗（kWh/m）传统供水模式0%约2.22建筑雨水/灰水收集利用模式20%35%2.012.23再生水利用模式33%45%2.032.78“降质-提质-分质”模式（含再生水）3%25%2.523.08“降质-提质-分质”模式（无非常规水）-30%-20%3.023.39 全城全提质模式-70%-60%5.896.36按照不同生活用水活动对水质要求差异及我国非常规水的平均生产水平和耗能，按照不同生活用水活动对水质要求差异及我国非常规水的平均生产水平和耗能，核算出可替代新鲜水的水量和单位供水能耗，以下是核算出可替代新鲜水的水量和单位供水能耗，以下是部分现状和新分质供水模式的初步估算结果部分

10、现状和新分质供水模式的初步估算结果：l 非常规水的利用对于减少常规新鲜水的取用量有明显效果非常规水的利用对于减少常规新鲜水的取用量有明显效果；l 以提高水质为目标的供水模式，和将再生水补充生活用水的模式，耗能均高于传统供水模式；以提高水质为目标的供水模式，和将再生水补充生活用水的模式，耗能均高于传统供水模式；l“降质降质-提质提质-分质分质”的新供水模式可平衡全城提质的能耗和新鲜水消耗，与非常规水供水联用或可实现节水的新供水模式可平衡全城提质的能耗和新鲜水消耗，与非常规水供水联用或可实现节水节能的多目标。节能的多目标。4.2 水数据的价值水数据的价值-25第六届城市智慧管网发展论坛供水管网精

11、细化模拟供水管网模拟是智慧供水系统的核心部分，其精细化程度影响智慧供水的水平。建立高质量、应用范围广的精细化管网模型是我国城市供水行业今后科技创新发展的方向。利用传感器进行压力、流量监测，进行管网水力模拟，识别和预测管网漏损和突发爆管事件。(Vrachimis,S.G.,Timotheou,S.,Eliades,D.G et al.,2021.Leakage detection and localization in water distribution systems:A model invalidation approach.Control Engineering Practice,11

12、0(June 2020),104755.)一种智能化的供水管网漏损检测流程4.2 水数据的价值水数据的价值26第六届城市智慧管网发展论坛提升数据获取能力提升数据获取能力局限于传统水务业务，目前数据获取手段仍以传统传感器为主。可以提供几近实时的网络数据（水质、流量、水压、水位等），为优化水系统日常运营，也能给排水管道爆裂、水体变色、下水道坍塌或堵塞等事故的检测、诊断和主动预防提供支持。但是单一的数据源难以全面的覆盖问题的各个角度，无法避免解决方案的片面性可能带来的更大的风险，开展多元多源数据结合及耦合。提升数据处理与分析能力提升数据处理与分析能力当把水务数据从传统数据领域拓展到外部数据，我们可

13、以通过天气、电力、公共监控视频、无人机巡检、微信/微博/抖音等多渠道多方式获取海量数据，大数据的形成是一种科技驱动下的社会化行为，是不可逆的，因此需要更强大的数据处理与分析能力以便充分挖掘数据的“信息价值”。4.2 水数据的价值水数据的价值27第六届城市智慧管网发展论坛导航卫星地面CORS网地面物联网地理信息地表部件地下管线地下空间空间信息公共信息人口信息法人信息证照信息地名地址政务信息政务信息行业信息社会信息企业信息公众信息地面通信网遥感卫星航空遥感无人机遥感地面遥感企业管理民生服务政务管理水务管理政务内网政务外网互联网通信卫星卫星通信网视频信息位置信息传感信息照片信息动态信息

14、4.3 水服务的价值水服务的价值-28第六届城市智慧管网发展论坛p 2019年，IWA的数字水务报告中提出了“数字水务生态圈数字水务生态圈”的概念，在数字化（数字化（2.0）的基础上将水务系统水务系统的服务范围的服务范围进行了外延，而其核心仍然是水系统本身水系统本身。水务机构金融房地产医院IT学校其它p 在智慧水系统（智慧水系统（5.0）的框架下，将水务大数据与城市大数据进行了有机的融合，形成了面向服务的多核心水务面向服务的多核心水务生态体生态体，它是由面向不同服务需求的不同服务需求的“水务生态圈水务生态圈”叠叠加、联通而成加、联通而成，在这里，城市里任何居民、企业、政府机构等主体既可以成为

15、主体既可以成为“生态圈生态圈”的服务核心也可以作的服务核心也可以作为数据或服务的供应者为数据或服务的供应者。水务服务金融房地产医院个人学校医疗（其它）水服务金融房地产水务机构个人学校个人服务金融房地产医院水务机构学校4.3 水服务价值水服务价值-29第六届城市智慧管网发展论坛服务拓展功能提升大数据信息类型声、光信号电信号Wifi信号影音信号三大特征采集方式数据众筹智能监测设备多媒体设备移动应用互联网4.5 系统韧性与供水过程的要求系统韧性与供水过程的要求30系统韧性：在保证安全和统筹发展过程中，通过主动调整系统要素、优化系统结构、塑造系统环境，使得系统在面对极端风险冲击情景发生突变的动态过程

16、中，依然具备防御力、恢复力、适应力等韧性能力特征。中国社会科学文摘城市供水系统韧性：城市供水系统韧性：面对自然灾害、事故灾害、公共卫生事件和社会安全事件时，供水系统快速响应修复，保证整体水量充足、水质安全、水压稳定的能力。第六届城市智慧管网发展论坛5 总结总结321.涉水基础设施（系统）的智能化、智慧化是个必然的趋势，咱们现在看到的应该是智慧水务系统的雏形。2.五个方面的“更”能很好的概括智慧水务的特征：更全面的感知、更更全面的感知、更主动的服务、更科学的决策、更自动的控制、更及时的应对主动的服务、更科学的决策、更自动的控制、更及时的应对3.未来可以挖掘的是水资源、水数据、水服务的价值提升。感谢倾听，请批评指正邮箱：微信 :Qiust081233

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